CN108856974A - 一种超声场耦合共熔池双丝cmt电弧增材成型工艺方法 - Google Patents

一种超声场耦合共熔池双丝cmt电弧增材成型工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，具有成型效率高、热输入低、变形小、表面质量高、组织性能可控、曲面造型能力强、无结构形式和材料限制的优点。包括以下步骤：S1、目标结构通过CAD和/或CAE和/或CAM进行设计及优化；S2、依据材料状态、工艺参数、显微组织、强韧性能之间的相互作用机理设计和优化增材成型工艺；S3、根据增材成型工艺参数，通过增材机器人系统实施增材成型工艺，获得目标结构成品。

Description

一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法。
背景技术
随着航空航天、国防军工、桥梁船舶、能源交通等重要技术领域对金属零件和大型结构件的性能、精度、成本和周期的要求越来越高，电弧增材制造技术因其直接快速成形能力和优质高效低成本优势已经成为国内外研究和关注的热点。
电弧增材制造技术以电弧为热源，通过熔化的焊丝层层熔敷堆积快速形成预设结构，全焊缝金属结构与整体铸锻件相比有化学成分均匀、致密度高、强度高、初性好等优点，而且在多层堆积过程中结构件经历多次热循环，在多次淬火和回火后可以避免宏观偏析、强韧性不一致等问题，具有巨大的工程应用价值和广阔的前景。
但是，电弧增材过程是一个涉及电弧热、力、电、磁等复杂物理效应、焊丝熔化、熔池流动、焊缝凝固与接头固态相变的复杂冶金过程，其中电磁场、温度场、流场、相场等物理场耦合作用强烈，金属材料固、液、气三态快速转变的传热传质过程极为复杂，导致电弧等离子体形态、熔滴过渡、焊缝成形质量、结构强韧性能的显著变化与差异，引起气孔、裂纹、咬边、驼峰、未熔合等缺陷。
因此，目前电弧增材制造技术仍存在快速成形效率、过程稳定性、表面成形精度、结构件强韧性能等无法满足工业实际需求的技术问题，另外对于结构件化学成分和显微组织分布以及整体强韧性能的准确控制方面尚无完整可行的低成本技术方案，严重阻碍了电弧增材制造的发展和应用。
鉴于现有增材制造技术仍无法实现质量、效率和成本的兼顾与通用性突破，研发一种新型优质高效低成本的通用型增材制造技术成为当务之急。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，具有成型效率高、热输入低、变形小、表面质量高、组织性能可控、曲面造型能力强、无结构形式和材料限制的优点。
本发明的目的是这样实现的：
一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，包括以下步骤：
S1、目标结构设计及优化
目标结构通过CAD和/或CAE和/或CAM进行设计及优化；
S2、增材成型工艺设计和优化
依据材料状态、工艺参数、显微组织、强韧性能之间的相互作用机理设计和优化增材成型工艺；
S3、增材工艺实施及过程控制
根据增材成型工艺参数，通过增材机器人系统实施增材成型工艺，获得目标结构成品。
优选地，S2中，增材成型工艺设计和优化方法如下：
对材料状态MS、工艺参数PP、显微组织SS、强韧性能MP间的关系进行量化，量化关系式为：
SS＝f(MS,PP)；MP＝F(SS)；
其中组织状态、工艺参数与显微组织间的量化关系f()、强韧性能与显微组织间的量化关系F()，采用数据库索引、多维分段插值、高阶函数或神经网络进行定义。
优选地，所述材料状态MS包括材料成分MS1、屈服强度MS2、冲击韧性MS3、延伸率MS4、显微组织特性MS5、晶粒度MS6；
所述工艺参数PP包括运动参数PP1、弧焊参数PP2、超声场参数PP3、协同控制参数PP4；
显微组织SS包括相组成SS1、组织组成SS2、晶粒度SS3、相分布SS4、晶粒取向SS5；
强韧性能MP包括屈服强度MP1、抗拉强度MP2、延伸率MP3、断面收缩率MP4、脆性转变温度MP5、冲击韧性MP6。
优选地，所述增材机器人系统包含弧焊电源系统、超声场控制系统、焊枪运动控制系统、能量协同控制系统；
所述运动参数PP1包括焊枪路径、焊接方向、焊枪姿态、焊接速度、干伸长、摆动参数，由焊枪运动控制系统控制；
所述弧焊参数PP2包括电弧模式、送丝速度、焊接电流、电弧电压、电弧长度，由弧焊电源系统控制；
所述超声场参数PP3包括模式、电流、振幅、频率、功率，由超声场控制系统控制；
所述能量协同参数PP4包括双电弧协同参数、二维/三维超声场协同参数、超声场与弧焊系统的耦合参数，双电弧协同参数包括电弧间距、弧焊参数匹配、调节与时序控制，二维/三维超声场协同参数包括超声换能器夹角，超声场参数匹配、调节与时序控制，超声场与弧焊系统的耦合参数包括超声换能器与双电弧的相对位置参数,电弧超声参数匹配、调节与时序控制，由能量协同控制系统控制。
优选地，还包括工艺过程检测系统，所述工艺过程检测系统测定焊枪运动参数用于运动控制、测定超声波耦合双丝CMT工艺过程参数用于工艺控制、测定结构成形参数用于工艺优化控制；
S3中，增材机器人系统与工艺过程检测系统实现闭环控制，实时控制工艺参数决定增材成型工艺过程，进而达到预期结构性能目标。
优选地，增材成型工艺包括电弧燃烧、金属凝固和固态相变三个核心工艺过程，
电弧燃烧工艺过程：电弧和超声共同为增材成型提供能量，超声波所提供力源可以收缩电弧、促进熔滴过渡；
金属凝固工艺过程：熔池温度场、流场和超声场发生强烈耦合，超声波可以降低熔池表面张力改善表面成形质量、促进熔池气泡和杂质上浮、抑制焊接缺陷、细化焊缝显微组织；
固态相变工艺过程：涉及细晶区软化、粗晶区脆化、高应力状态下的裂纹现象，超声波在热影响区可以细化晶粒、优化应力分布。
优选地，超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域包含电弧耦合区、熔池耦合区和HAZ耦合区，电弧耦合区用于稳压稳弧、促进熔滴过渡，熔池耦合区用于提高表面成形质量、抑制焊接缺陷、细化晶粒，HAZ耦合区用于细化晶粒、优化应力分布。
优选地，所述增材机器人系统包括超声场耦合共熔池双电弧系统，超声场耦合共熔池双电弧系统中，超声场依次通过保护气、电弧等离子体、熔滴、熔池和热影响区，起到稳压稳弧、促进熔滴过渡、提高表面成形质量、抑制焊接缺陷、细化晶粒和优化应力分布的作用。
优选地，所述增材机器人系统包括用于发出超声场的超声波系统，所述超声波系统具有两个超声换能器，在超声场耦合共熔池双丝CMT增材工艺横截面上，两个超声换能器形成一个夹角使超声场可以共同作用于熔池区域，实现三向超声场的控制与调节，其中超声换能器夹角以及与双电弧系统的相对位置均可以实时调整，在超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域横截面上，双向超声场作用于焊缝金属、熔池液态金属、保护气固液气三相交界线上，通过改善表面张力状态、熔池流动和固相应力状态提高表面成形质量。
优选地，所述增材工艺参数通过调节熔滴所受电弧压力Fp、电磁力Fem、重力Fg、表面张力Fγ的综合作用状态而实现，可以稳定电弧、促进熔滴过渡、抑制飞溅形成，使超声场耦合增材过程更易达到稳定状态，通过调节熔池所受电弧压力、电磁力、重力、表面张力、等离子体拉力、Marangoni剪切力、浮力的综合作用状态，促使熔池形成动态热力平衡，从而保证焊缝表面成形质量以及结构组织性能。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的电弧增材制造技术具有成型效率高、热输入低、变形小、表面质量高、组织性能可控、曲面造型能力强、无结构形式和材料限制等优点，可用于金属零部件加工、小批量结构的快速成型、大型一体性结构的建造等诸多方面，尤其在取代大型铸锻件、偏僻地区线塔和桥梁建造方面独具优势，原因如下：
一、大型铸件需要大型模具，因模具钢加工困难，大型模具成本极高，且大型铸件因液态金属流动性和模具散热性能限制，其显微组织结构严重不均匀，力学性能较差，一般不能直接使用，需额外的热处理或锻造加工；
二、大型锻件需要极大吨位的锻压机，大型锻压机设计及制造难度大，锻造工艺复杂，使得大型锻件的成本极高，而且生产效率低下。本发明提供的方案，避免了上述困难，设备简单，工艺适应性强，成型件性能高，优势明显；
三、偏远地区桥梁的建造，主要难度在于建造设备和线塔组装构件的搬运，结构越大运输难度越大，建造成本越高。本发明提供的方案，设备简单，所需金属丝线和保护气体运输方便，而且施工过程效率高；
四、偏远地区桥梁的建造同样存在(三)的困难，但是河川、峡谷上的高架桥因桥墩建造困难增加了施工难度和成本。本发明提供的方案可以从两端同时增材制造，且施工智能化程度高，避免了桥墩的建设，降低了施工风险，提高了施工效率，降低了建造成本。
附图说明
图1为：超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法示意图；
图2为：增材成型结构质量量化控制过程示意图；
图3为：超声场耦合共熔池双丝CMT工艺纵剖面示意图；
图4为：超声场耦合共熔池双丝CMT内在机理示意图；
图5为：超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域纵剖面示意图；
图6为：超声场耦合共熔池双丝CMT工艺横截面示意图；
图7为：超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域横截面示意图。
附图标记
附图中，1为水冷气罩，2为导电嘴，3为焊丝，4为超声波换能器，5为保护气，6为超声场，7为工件，8为溶滴，9为熔池，10为焊缝，11为耦合域，111为电弧耦合区，112为熔池耦合区，113为HAZ耦合区，12为电弧等离子体，13为保护器喷嘴，14为热影响区，15为工作台，16为熔池表面，17为结构表面。
具体实施方式
一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，包括以下步骤：
S1、目标结构设计及优化
目标结构通过CAD和/或CAE和/或CAM进行设计及优化；
S2、增材成型工艺设计和优化
依据材料状态、工艺参数、显微组织、强韧性能之间的相互作用机理设计和优化增材成型工艺；
本实施例中，增材成型工艺设计和优化方法如下：
对材料状态MS、工艺参数PP、显微组织SS、强韧性能MP间的关系进行量化，量化关系式为：
SS＝f(MS,PP)；MP＝F(SS)；
其中组织状态、工艺参数与显微组织间的量化关系f()、强韧性能与显微组织间的量化关系F()，采用数据库索引、多维分段插值、高阶函数或神经网络进行定义。
所述材料状态MS包括材料成分MS1、屈服强度MS2、冲击韧性MS3、延伸率MS4、显微组织特性MS5、晶粒度MS6；
所述工艺参数PP包括运动参数PP1、弧焊参数PP2、超声场参数PP3、协同控制参数PP4；
显微组织SS包括相组成SS1、组织组成SS2、晶粒度SS3、相分布SS4、晶粒取向SS5；
强韧性能MP包括屈服强度MP1、抗拉强度MP2、延伸率MP3、断面收缩率MP4、脆性转变温度MP5、冲击韧性MP6。
所述增材机器人系统的控制系统包括弧焊电源系统、超声场控制系统、焊枪运动控制系统、能量协同控制系统；
所述运动参数PP1包括焊枪路径、焊接方向、焊枪姿态、焊接速度、干伸长、摆动参数，由焊枪运动控制系统控制；
所述弧焊参数PP2包括电弧模式、送丝速度、焊接电流、电弧电压、电弧长度，由弧焊电源系统控制；
所述超声场参数PP3包括模式、电流、振幅、频率、功率，由超声场控制系统控制；
所述能量协同参数PP4包括双电弧协同参数、二维/三维超声场协同参数、超声场与弧焊系统的耦合参数，双电弧协同参数包括电弧间距、弧焊参数匹配、调节与时序控制，二维/三维超声场协同参数包括超声换能器夹角，超声场参数匹配、调节与时序控制，超声场与弧焊系统的耦合参数包括超声换能器与双电弧的相对位置参数,电弧超声参数匹配、调节与时序控制，由能量协同控制系统控制。
还包括工艺过程检测系统，所述工艺过程检测系统测定焊枪运动参数用于运动控制、测定超声波耦合双丝CMT工艺过程参数用于工艺控制、测定结构成形参数用于工艺优化控制；
S3、增材工艺实施及过程控制
根据增材成型工艺参数，通过增材机器人系统实施增材成型工艺，获得目标结构成品。本实施例中，增材机器人系统与工艺过程检测系统实现闭环控制，实时控制工艺参数决定增材成型工艺过程，进而达到预期结构性能目标。
增材成型工艺包括电弧燃烧、金属凝固和固态相变三个核心工艺过程，
电弧燃烧工艺过程：电弧和超声共同为增材成型提供能量，超声波所提供力源可以收缩电弧、促进熔滴过渡；
金属凝固工艺过程：熔池温度场、流场和超声场发生强烈耦合，超声波可以降低熔池表面张力改善表面成形质量、促进熔池气泡和杂质上浮、抑制焊接缺陷、细化焊缝显微组织；
固态相变工艺过程：涉及细晶区软化、粗晶区脆化、高应力状态下的裂纹现象，超声波在热影响区可以细化晶粒、优化应力分布。
所述增材工艺参数通过调节熔滴所受电弧压力Fp、电磁力Fem、重力Fg、表面张力Fγ的综合作用状态而实现，可以稳定电弧、促进熔滴过渡、抑制飞溅形成，使超声场耦合增材过程更易达到稳定状态，通过调节熔池所受电弧压力、电磁力、重力、表面张力、等离子体拉力、Marangoni剪切力、浮力的综合作用状态，促使熔池形成动态热力平衡，从而保证焊缝表面成形质量以及结构组织性能。
超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域包含电弧耦合区、熔池耦合区和HAZ耦合区，电弧耦合区用于稳压稳弧、促进熔滴过渡，熔池耦合区用于提高表面成形质量、抑制焊接缺陷、细化晶粒，HAZ耦合区用于细化晶粒、优化应力分布。
所述增材机器人系统的执行系统包括超声场耦合共熔池双电弧系统、所述增材机器人系统包括用于发出超声场的超声波系统，
超声场耦合共熔池双电弧系统中，超声场依次通过保护气、电弧等离子体、熔滴、熔池和热影响区，起到稳压稳弧、促进熔滴过渡、提高表面成形质量、抑制焊接缺陷、细化晶粒和优化应力分布的作用。
所述超声波系统具有两个超声换能器，在超声场耦合共熔池双丝CMT增材工艺横截面上，两个超声换能器形成一个夹角使超声场可以共同作用于熔池区域，实现三向超声场的控制与调节，其中超声换能器夹角以及与双电弧系统的相对位置均可以实时调整，在超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域横截面上，双向超声场作用于焊缝金属、熔池液态金属、保护气固液气三相交界线上，通过改善表面张力状态、熔池流动和固相应力状态提高表面成形质量。
下面结合附图对本发明进一步说明，以便更好地理解本发明。
图1为：超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法示意图
本发明提供的超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，与常规电弧增材制造技术相比，具有成型效率高、热输入低、变形小、表面质量高、组织性能可控、曲面造型能力强、无结构形式和材料限制等优点，其整体技术方案如图1，包括目标结构设计及优化、增材成型工艺设计和优化、增材工艺实施及过程控制、金属结构后处理等四个核心步骤，目标结构通过CAD和/或CAE和/或CAM进行材料选择、结构设计及优化，增材结构可以采用一体式成型或分离成型组装方式进行；增材成型工艺设计和优化，依据所选材料状态、工艺参数、显微组织、强韧性能间的相互作用机理设计和优化增材成型工艺；增材工艺实施及过程控制，根据增材成型工艺参数，通过增材机器人系统严格实施增材工艺，获得优质金属结构制品；金属结构后处理，根据设计目标要求对金属结构制品进行必要的后处理加工，以提高增材结构表面质量和结构性能，后处理可以是喷涂、热处理、机加工等。
图2为：增材成型结构质量量化控制过程示意图
超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型结构质量量化控制过程示意图如图3。超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材系统的核心控制目标，即目标结构的强度(屈服强度σs和抗拉强度σb)、塑性(延伸率δ和断面收缩率ψ)和韧性(脆性转变温度Tc和冲击韧性Ak)等量化指标综合最优，其实现方式是通过超声场耦合共熔池双丝CMT增材工艺深度学习神经网络实时控制工艺参数决定电弧燃烧、金属凝固和固态相变等三个核心工艺过程进而达到预期结构性能目标。电弧燃烧为融化焊丝和母材提供热源，超声波所提供力源影响电弧形态和熔滴过渡过程，而且具有收缩电弧、促进熔滴过渡的有益效果，电弧和超声共同为增材过程提供能量。金属凝固过程涉及熔池温度场、流场和超声场的强烈耦合作用，超声波具有降低熔池表面张力改善表面成形质量、促进熔池气泡和杂质上浮、抑制焊接缺陷、细化焊缝显微组织的显著有点。固态相变过程主要发生在热影响区，热影响区一直是焊接结构最为关注的性能薄弱区域，主要涉及细晶区软化、粗晶区脆化、高应力状态下的裂纹等现象。超声波在热影响区的存在具有细化晶粒、优化应力分布等有益效果。
图3为：超声场耦合共熔池双丝CMT增材工艺纵剖面示意图
超声场耦合共熔池双丝CMT增材工艺纵剖面如图3所示。在超声场耦合共熔池双电弧系统中，恒定或脉冲电流通过模型顶部的导电嘴施加到电极。电弧等离子体在电极和工件之间产生。焊丝作为电极被连续向工件方向送进，并因为高温电弧的热效应和大点流下的焊丝电阻热电极尖端熔化形成液态熔滴。熔滴在电极末端不断长大，然后分离并被快速转移到工件上。在高温熔滴的连续高速冲击和动态的高温高压电弧等离子体相互作用下，在工件上形成焊接熔池。熔池中的液态金属在体积力和表面力的综合作用下发生流动，并随电弧远离而冷却形成焊缝。惰性保护气体通过保护气喷嘴提供，用于防止熔融金属氧化。超声场依次通过保护气、电弧等离子体、熔滴、熔池和热影响区，起到稳压稳弧、促进熔滴过渡、提高表面成形质量、抑制焊接缺陷、细化晶粒和优化应力分布的有益效果。
图4为：超声场耦合共熔池双丝CMT增材工艺机理示意图
超声场耦合共熔池双丝CMT增材工艺机理如图4所示，增材过程的稳定性主要取决于熔滴过渡和熔池稳定，熔滴过渡极大扰动电弧形态，影响热源传热过程，熔滴冲击熔池又严重影响熔池稳定，另外熔池的稳定性决定焊缝的表面质量和结构的组织性能。
焊丝尖端在高温电弧的热效应和大点流下焊丝电阻热的共同作用下熔化形成液态熔滴，熔滴在电弧压力Fp、电磁力Fem、重力Fg、表面张力Fγ的综合作用下发生转移，增材工艺参数通过调节熔滴受力以稳定电弧、促进熔滴过渡、抑制飞溅形成，使超声场耦合增材过程更易达到稳定状态。。
工件在高温高压电弧等离子体和高频率熔滴冲击的相互作用下发生融化，在电弧压力、电磁力、重力、表面张力、等离子体拉力、Marangoni剪切力、浮力的综合作用下与熔滴发生强烈的传热、传质和动量传递过程，随着电弧的移动，焊接熔池前段处于过热状态的金属不断融化，熔池后端液态金属在极大的温度梯度下凝固成焊缝金属，增材工艺参数通过调节熔池受力状态，促使熔池形成动态热力平衡，从而保证焊缝表面成形质量以及结构组织性能。
图5为：超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域纵剖面示意图
超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域纵剖面如图5所示，超声耦合域包含电弧耦合区、熔池耦合区和HAZ耦合区，电弧耦合区主要作用是稳压稳弧、促进熔滴过渡，熔池耦合区作用是提高表面成形质量、抑制焊接缺陷、细化晶粒，HAZ耦合区的主要作用是细化晶粒、优化应力分布。
图6为：超声场耦合共熔池双丝CMT工艺横截面示意图
超声场耦合共熔池双丝CMT增材工艺横截面如图6所示，两个超声换能器成一定夹角使超声场可以共同作用于熔池区域，实现三向超声场的控制与调节，其中超声换能器夹角可以调整，与双电弧系统相对位置可以实时调整。
图7为：超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域横截面示意图
超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域横截面如图7所示，双向超声场作用于焊缝金属、熔池液态金属、保护气固液气三相交界线上，通过改善表面张力状态、熔池流动和固相应力状态提高表面成形质量。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、目标结构设计及优化
目标结构通过CAD和/或CAE和/或CAM进行设计及优化；
S2、增材成型工艺设计和优化
依据材料状态、工艺参数、显微组织、强韧性能之间的相互作用机理设计和优化增材成型工艺；
S3、增材工艺实施及过程控制
根据增材成型工艺参数，通过增材机器人系统实施增材成型工艺，获得目标结构成品。
2.根据权利要求1所述的一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于，S2中，增材成型工艺设计和优化方法如下：
对材料状态MS、工艺参数PP、显微组织SS、强韧性能MP间的关系进行量化，量化关系式为：
SS＝f(MS,PP)；MP＝F(SS)；
其中组织状态、工艺参数与显微组织间的量化关系f()、强韧性能与显微组织间的量化关系F()，采用数据库索引、多维分段插值、高阶函数或神经网络进行定义。
3.根据权利要求2所述的一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于：
所述材料状态MS包括材料成分MS1、屈服强度MS2、冲击韧性MS3、延伸率MS4、显微组织特性MS5、晶粒度MS6；
所述工艺参数PP包括运动参数PP1、弧焊参数PP2、超声场参数PP3、协同控制参数PP4；
显微组织SS包括相组成SS1、组织组成SS2、晶粒度SS3、相分布SS4、晶粒取向SS5；
强韧性能MP包括屈服强度MP1、抗拉强度MP2、延伸率MP3、断面收缩率MP4、脆性转变温度MP5、冲击韧性MP6。
4.根据权利要求3所述的一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于：
所述增材机器人系统包含弧焊电源系统、超声场控制系统、焊枪运动控制系统、能量协同控制系统；
所述运动参数PP1包括焊枪路径、焊接方向、焊枪姿态、焊接速度、干伸长、摆动参数，由焊枪运动控制系统控制；
所述弧焊参数PP2包括电弧模式、送丝速度、焊接电流、电弧电压、电弧长度，由弧焊电源系统控制；
所述超声场参数PP3包括模式、电流、振幅、频率、功率，由超声场控制系统控制；
所述能量协同参数PP4包括双电弧协同参数、二维/三维超声场协同参数、超声场与弧焊系统的耦合参数，双电弧协同参数包括电弧间距、弧焊参数匹配、调节与时序控制，二维/三维超声场协同参数包括超声换能器夹角，超声场参数匹配、调节与时序控制，超声场与弧焊系统的耦合参数包括超声换能器与双电弧的相对位置参数,电弧超声参数匹配、调节与时序控制，由能量协同控制系统控制。
5.根据权利要求1或4所述的一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于：还包括工艺过程检测系统，所述工艺过程检测系统测定焊枪运动参数用于运动控制、测定超声波耦合双丝CMT工艺过程参数用于工艺控制、测定结构成形参数用于工艺优化控制；
S3中，增材机器人系统与工艺过程检测系统实现闭环控制，实时控制工艺参数决定增材成型工艺过程，进而达到预期结构性能目标。
6.根据权利要求1所述的一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于，增材成型工艺包括电弧燃烧、金属凝固和固态相变三个核心工艺过程，
电弧燃烧工艺过程：电弧和超声共同为增材成型提供能量，超声波所提供力源可以收缩电弧、促进熔滴过渡；
金属凝固工艺过程：熔池温度场、流场和超声场发生强烈耦合，超声波可以降低熔池表面张力改善表面成形质量、促进熔池气泡和杂质上浮、抑制焊接缺陷、细化焊缝显微组织；
固态相变工艺过程：涉及细晶区软化、粗晶区脆化、高应力状态下的裂纹现象，超声波在热影响区可以细化晶粒、优化应力分布。
7.根据权利要求1所述的一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于，超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域包含电弧耦合区、熔池耦合区和HAZ耦合区，电弧耦合区用于稳压稳弧、促进熔滴过渡，熔池耦合区用于提高表面成形质量、抑制焊接缺陷、细化晶粒，HAZ耦合区用于细化晶粒、优化应力分布。
8.根据权利要求1所述的一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于，所述增材机器人系统包括超声场耦合共熔池双电弧系统，超声场耦合共熔池双电弧系统中，超声场依次通过保护气、电弧等离子体、熔滴、熔池和热影响区，起到稳压稳弧、促进熔滴过渡、提高表面成形质量、抑制焊接缺陷、细化晶粒和优化应力分布的作用。
9.根据权利要求1所述的一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于：所述增材机器人系统包括用于发出超声场的超声波系统，所述超声波系统具有两个超声换能器，在超声场耦合共熔池双丝CMT增材工艺横截面上，两个超声换能器形成一个夹角使超声场可以共同作用于熔池区域，实现三向超声场的控制与调节，其中超声换能器夹角以及与双电弧系统的相对位置均可以实时调整，在超声场耦合共熔池双丝CMT耦合域横截面上，双向超声场作用于焊缝金属、熔池液态金属、保护气固液气三相交界线上，通过改善表面张力状态、熔池流动和固相应力状态提高表面成形质量。
10.根据权利要求1所述的一种超声场耦合共熔池双丝CMT电弧增材成型工艺方法，其特征在于，所述增材工艺参数通过调节熔滴所受电弧压力Fp、电磁力Fem、重力Fg、表面张力Fγ的综合作用状态而实现，可以稳定电弧、促进熔滴过渡、抑制飞溅形成，使超声场耦合增材过程更易达到稳定状态，通过调节熔池所受电弧压力、电磁力、重力、表面张力、等离子体拉力、Marangoni剪切力、浮力的综合作用状态，促使熔池形成动态热力平衡，从而保证焊缝表面成形质量以及结构组织性能。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109967741A (zh) * 2019-03-29 2019-07-05 贵州翰凯斯智能技术有限公司 一种基于增强学习的3d打印工艺优化方法
CN112496505A (zh) * 2020-10-23 2021-03-16 上海船舶工艺研究所(中国船舶工业集团公司第十一研究所) 一种船舶用高强钢中厚板的双丝气体保护焊方法
CN113524662A (zh) * 2021-07-08 2021-10-22 吉林大学 射流抛光辅助的电弧超声波复合式多材料3d打印装置及方法
CN114713943A (zh) * 2022-06-09 2022-07-08 吉林大学 一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统
CN115090891A (zh) * 2022-08-25 2022-09-23 西安赛隆增材技术股份有限公司 一种等离子旋转电极雾化制粉设备与制粉方法
CN115121771A (zh) * 2022-07-27 2022-09-30 西北工业大学 一种金属型材智能化超声连铸方法及测控装置
CN115685881A (zh) * 2022-11-07 2023-02-03 北京科技大学 基于计算智能的低应力高精度电弧增材工艺控制方法
WO2023226108A1 (zh) * 2022-05-23 2023-11-30 五邑大学 电弧增材设备、方法及存储介质

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004354399A (ja) * 2004-09-22 2004-12-16 Koden Electronics Co Ltd 超音波探査装置
CN102069265A (zh) * 2010-12-23 2011-05-25 哈尔滨工业大学 双丝动态三电弧焊接方法
CN104203474A (zh) * 2012-03-29 2014-12-10 弗罗纽斯国际有限公司 具有两个焊炬和用于启动电弧点火阶段的控制单元的焊接设备以及在适合的启动过程利用两个焊接工艺进行焊接的焊接方法
CN104842042A (zh) * 2015-05-15 2015-08-19 西安交通大学 一种基于cmt的金属焊接快速成形系统和方法
CN105364297A (zh) * 2015-12-09 2016-03-02 温州大学 一种振动焊接装置
CN106180986A (zh) * 2016-07-08 2016-12-07 湘潭大学 一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法
CN108067705A (zh) * 2016-11-17 2018-05-25 天津大学 一种cmt-超声冲击复合增材制造的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004354399A (ja) * 2004-09-22 2004-12-16 Koden Electronics Co Ltd 超音波探査装置
CN102069265A (zh) * 2010-12-23 2011-05-25 哈尔滨工业大学 双丝动态三电弧焊接方法
CN104203474A (zh) * 2012-03-29 2014-12-10 弗罗纽斯国际有限公司 具有两个焊炬和用于启动电弧点火阶段的控制单元的焊接设备以及在适合的启动过程利用两个焊接工艺进行焊接的焊接方法
CN104842042A (zh) * 2015-05-15 2015-08-19 西安交通大学 一种基于cmt的金属焊接快速成形系统和方法
CN105364297A (zh) * 2015-12-09 2016-03-02 温州大学 一种振动焊接装置
CN106180986A (zh) * 2016-07-08 2016-12-07 湘潭大学 一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法
CN108067705A (zh) * 2016-11-17 2018-05-25 天津大学 一种cmt-超声冲击复合增材制造的方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109967741A (zh) * 2019-03-29 2019-07-05 贵州翰凯斯智能技术有限公司 一种基于增强学习的3d打印工艺优化方法
CN109967741B (zh) * 2019-03-29 2021-02-02 贵州翰凯斯智能技术有限公司 一种基于增强学习的3d打印工艺优化方法
CN112496505A (zh) * 2020-10-23 2021-03-16 上海船舶工艺研究所(中国船舶工业集团公司第十一研究所) 一种船舶用高强钢中厚板的双丝气体保护焊方法
CN113524662A (zh) * 2021-07-08 2021-10-22 吉林大学 射流抛光辅助的电弧超声波复合式多材料3d打印装置及方法
WO2023226108A1 (zh) * 2022-05-23 2023-11-30 五邑大学 电弧增材设备、方法及存储介质
CN114713943A (zh) * 2022-06-09 2022-07-08 吉林大学 一种超声振动耦合磁场辅助的电弧熔丝增材制造系统
CN115121771A (zh) * 2022-07-27 2022-09-30 西北工业大学 一种金属型材智能化超声连铸方法及测控装置
CN115121771B (zh) * 2022-07-27 2023-06-09 西北工业大学 一种金属型材智能化超声连铸方法及测控装置
CN115090891A (zh) * 2022-08-25 2022-09-23 西安赛隆增材技术股份有限公司 一种等离子旋转电极雾化制粉设备与制粉方法
CN115685881A (zh) * 2022-11-07 2023-02-03 北京科技大学 基于计算智能的低应力高精度电弧增材工艺控制方法

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